陳國(guó)平，阮德超，胡文軍，呂 玲，蔡 勇

(1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

礦井通風(fēng)是創(chuàng)造礦井正常生產(chǎn)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)，也是礦井安全生產(chǎn)的基本保障[1].據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，到2007年底，我國(guó)有金屬非金屬地下礦山11 799座.其中，已建立機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的6 826座，占地下礦山總數(shù)的57.9%，未建立機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的4 973座，占地下礦山總數(shù)的42.1%[2].然而隨著許多礦山生產(chǎn)的發(fā)展以及礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理不善，導(dǎo)致出現(xiàn)井下采空區(qū)多、漏風(fēng)大、風(fēng)流紊亂、串聯(lián)風(fēng)多、風(fēng)量與風(fēng)質(zhì)達(dá)不到要求等問(wèn)題，而且由于有效風(fēng)量率低直接造成較高的通風(fēng)成本.這是我國(guó)目前地下開(kāi)采礦山普遍存在的問(wèn)題，不僅是經(jīng)濟(jì)上的損失，更關(guān)系到井下作業(yè)的每一名礦工的生命安全.

對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的研究很有必要，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛深入的研究，并取得了許多成果，如在礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和通風(fēng)系統(tǒng)圖的建立幾個(gè)方面都開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的運(yùn)用軟件.先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為系統(tǒng)優(yōu)化帶來(lái)極大方便，上世紀(jì)80年代初，以加拿大、澳大利亞、美國(guó)和英國(guó)為代表陸續(xù)開(kāi)發(fā)出整套礦井通風(fēng)管理軟件.在國(guó)內(nèi)，由于語(yǔ)言和價(jià)格等方面的原因并沒(méi)有普及這些軟件，自80年代末始，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，不少軟件已開(kāi)始成功投入使用.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)軟件，專(zhuān)門(mén)用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖形管理和事故救災(zāi)輔助決策，并很方便地生成礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖.貴州工業(yè)大學(xué)采礦教研室研發(fā)的MVS-MIS系統(tǒng)，系統(tǒng)使用方便，資源共享性強(qiáng)，安全可靠性高，加速了礦山信息化管理步伐.但是在實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化工作中，由于缺乏專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化決策支持軟件，工程人員面對(duì)大量的數(shù)據(jù)而無(wú)法運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行定量計(jì)算.另外，通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的不同環(huán)節(jié)中運(yùn)用不同的軟件，不但繁瑣而且不利于信息處理和記錄，加上受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的限制，之前開(kāi)發(fā)的軟件在信息輸入、軟件操作、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面都存在著缺陷[3].

通過(guò)運(yùn)用系統(tǒng)論、圖論、拓?fù)鋵W(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)大冶鐵礦尖林山礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算，以求達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的風(fēng)網(wǎng)風(fēng)流控制方案，從技術(shù)上解決上述存在的問(wèn)題.

1 工程概況

武鋼礦業(yè)公司大冶鐵礦礦區(qū)位于湖北省黃石市鐵山區(qū)，東距黃石市區(qū)25 km，東南距大冶市15 km.礦區(qū)水陸交通十分方便.礦區(qū)內(nèi)氣候冬冷夏熱，四季分明，雨量充沛，為典型的亞熱帶大陸性氣候.開(kāi)采標(biāo)高為+276 m至-280 m.開(kāi)采礦種：鐵礦.

礦區(qū)共分布有6個(gè)主要大礦體，自西向東依次為鐵門(mén)坎、龍洞、尖林山、象鼻山、獅子山、尖山礦體，除尖林山為隱伏礦體外，其余均露出地表.礦體呈似層狀、透鏡狀，礦體總體走向?yàn)楸蔽魑?，向深部轉(zhuǎn)向南南東傾斜.礦體北部是閃長(zhǎng)巖，地勢(shì)高；南部是大理巖，地勢(shì)低[4].

2 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

目前，尖林山車(chē)間井下通風(fēng)系統(tǒng)存在風(fēng)機(jī)機(jī)站分布分散、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、風(fēng)路較長(zhǎng)、通風(fēng)費(fèi)用高、主扇能力不足、礦井總風(fēng)量不足、采區(qū)通風(fēng)困難，系統(tǒng)外部漏風(fēng)等問(wèn)題[5].具體如下：

(1) 礦山各采區(qū)均已轉(zhuǎn)入-110 m以下二期開(kāi)采，各采區(qū)二期開(kāi)采的回風(fēng)井與上部一期開(kāi)采的回風(fēng)井在-110 m水平錯(cuò)開(kāi)，并且與-110 m中段運(yùn)輸巷相通，造成大量新鮮風(fēng)流直接從-110 m中段運(yùn)輸巷流入上部回風(fēng)井排出而不能進(jìn)入-110 m以下作業(yè)中段.

(2) 由于上述原因，龍洞采區(qū)與鐵門(mén)坎東區(qū)-110 m以下作業(yè)面風(fēng)量嚴(yán)重不足，鐵門(mén)坎東區(qū)風(fēng)流甚至反向西行下到-17 0m、-230 m、-270 m水平.

(3) 鐵門(mén)坎北區(qū)-110 m以上一期工程電梯井已破舊不能正常運(yùn)行，給設(shè)于鐵門(mén)坎北回風(fēng)斜井口的風(fēng)機(jī)管理帶來(lái)極大困難.北區(qū)-110 m以上各水平漏風(fēng)嚴(yán)重，造成-110 m以下回風(fēng)能力過(guò)小.

(4) 鐵門(mén)坎南回風(fēng)斜井口的風(fēng)機(jī)已拆除，南區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)已癱瘓，-110m以下作業(yè)面的炮煙下行到-170m中段，影響到運(yùn)輸作業(yè)的安全.

(5)鐵門(mén)坎西區(qū)和東區(qū)的需風(fēng)量主要是來(lái)自于鐵門(mén)坎副井，然而隨著深部開(kāi)采的繼續(xù)，系統(tǒng)外部漏風(fēng)增加，進(jìn)風(fēng)量已滿足不了各采場(chǎng)的需求.

(6)現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)，特別是鐵門(mén)坎西區(qū)的通風(fēng)線路長(zhǎng)，通風(fēng)巷道復(fù)雜紊亂，這不僅給通風(fēng)管理造成不便，而且局部可能存在的污風(fēng)循環(huán)，給井下開(kāi)采作業(yè)造成嚴(yán)重安全隱患.

為了能最大限度地解決這些問(wèn)題，并節(jié)約通風(fēng)能耗，降低通風(fēng)費(fèi)用，提高通風(fēng)系統(tǒng)管理水平，有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì).

3 通風(fēng)系統(tǒng)改造方案

3.1 鐵門(mén)坎采區(qū)

鐵門(mén)坎采區(qū)分鐵門(mén)坎西區(qū)與鐵門(mén)坎東區(qū)兩個(gè)通風(fēng)系統(tǒng).鐵門(mén)坎西區(qū)原北回風(fēng)斜井改為進(jìn)風(fēng)井(拆除北回風(fēng)斜井下部風(fēng)機(jī))，一部分新鮮風(fēng)流由北進(jìn)風(fēng)斜井(原北回風(fēng)斜井)分別經(jīng)過(guò)-50 m水平原北進(jìn)風(fēng)井、北提升井和北回風(fēng)井至-110 m中段，再經(jīng)電梯井、斜坡道進(jìn)入各作業(yè)分層；另一部分新鮮風(fēng)流由鐵門(mén)坎副井分別進(jìn)入-110 m、-170 m 中段，再?gòu)男逼碌?、電梯井進(jìn)入各作業(yè)分層，作業(yè)排出的污風(fēng)匯集于礦體北端與西端的回風(fēng)井上至-110 m水平，再經(jīng)南回風(fēng)井和南措井上升至-50 m水平，最后由設(shè)在南回風(fēng)斜井井口的兩臺(tái)并聯(lián)風(fēng)機(jī)抽出至地表(拆除南回風(fēng)斜井下部風(fēng)機(jī)).

鐵門(mén)坎-45 m水平溜破回風(fēng)井口設(shè)有一臺(tái)風(fēng)機(jī)，將破碎硐室污風(fēng)抽出至南回風(fēng)斜井，最后由南回風(fēng)井口的兩臺(tái)并聯(lián)風(fēng)機(jī)抽出至地表.

鐵門(mén)坎東區(qū)新鮮風(fēng)流從鐵門(mén)坎副井下至-170 m階段運(yùn)輸巷，再由-170 m階段運(yùn)輸巷進(jìn)入東區(qū)人行通風(fēng)天井上至各作業(yè)分層，作業(yè)排出的污風(fēng)匯集于礦體東端的回風(fēng)井上至-110 m水平，經(jīng)-110 m階段原鐵門(mén)坎東回風(fēng)井至-50 m水平，再由設(shè)于+90 m地表的兩臺(tái)并聯(lián)風(fēng)機(jī)通過(guò)電梯井、鐵龍回風(fēng)斜井抽出排至地表[6].

3.2 龍洞采區(qū)

龍洞采區(qū)新鮮風(fēng)流從龍洞斜坡道與龍洞主進(jìn)風(fēng)井、階段進(jìn)風(fēng)井及原提升井進(jìn)入-110 m階段運(yùn)輸巷，再由斜坡道下至-170 m階段運(yùn)輸巷，并由位于礦體東端、中部的進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入各作業(yè)分層.作業(yè)排出的污風(fēng)匯集于礦體西端的回風(fēng)井上至-110 m水平，經(jīng)龍洞回風(fēng)井至-50 m水平，再由設(shè)于+90 m地表的兩臺(tái)并聯(lián)風(fēng)機(jī)通過(guò)鐵龍回風(fēng)斜井抽出排至地表.

3.3 尖林山采區(qū)

尖林山采區(qū)新鮮風(fēng)流從石塔溝主井分別進(jìn)入-110 m、-170 m水平階段運(yùn)輸巷，再?gòu)男逼碌?、電梯井進(jìn)入各作業(yè)分層，作業(yè)排出的污風(fēng)匯集于礦體東端的回風(fēng)井上至-110 m水平，由設(shè)于+105 m水平的兩臺(tái)并聯(lián)風(fēng)機(jī)抽出，通過(guò)-50～-110階段回風(fēng)井、尖林山回風(fēng)斜井排至地表.

針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，此次改造的目標(biāo)是研究滿足井下尖林山、鐵門(mén)坎、龍洞三個(gè)采區(qū)-170 m中段生產(chǎn)比較合理的通風(fēng)方式，建立一個(gè)有效風(fēng)量率≥65%，風(fēng)機(jī)平均效率≥65%，滿足-170 m中段作業(yè)的高效運(yùn)行井下通風(fēng)系統(tǒng)[7-8].

4 礦井通風(fēng)阻力及需風(fēng)量計(jì)算

4.1 井下需風(fēng)量

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》對(duì)于井下通風(fēng)安全的規(guī)定和各采區(qū)生產(chǎn)情況，同時(shí)考慮礦井漏風(fēng)及風(fēng)量調(diào)整不及時(shí)的備用風(fēng)量，取漏風(fēng)系數(shù)0.40，各采區(qū)需風(fēng)量計(jì)算如表1所示.

表1 各采區(qū)需風(fēng)量Table 1 Required amount of air in each mining area

4.2 礦井通風(fēng)阻力計(jì)算

由于礦井巷道極少為圓形，可用當(dāng)量直徑d=4S/U代入沿程阻力公式得：

則井巷摩擦阻力計(jì)算公式為

Hf=RfQ2

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；S為巷道斷面積，m2；U為巷道周界，m；L為巷道長(zhǎng)度，m.

5 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算

風(fēng)網(wǎng)解算時(shí)，考慮到大冶鐵礦鐵門(mén)坎、龍洞和尖林山的通風(fēng)網(wǎng)路是一個(gè)整體，構(gòu)成一個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，不能將三個(gè)工區(qū)截然分開(kāi).因此，解算時(shí)我們將整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)拓?fù)渥儞Q，然后代入原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)解算.原始數(shù)據(jù)包括分支的起始結(jié)點(diǎn)號(hào)、風(fēng)阻、需風(fēng)量、自然風(fēng)壓或恒壓源壓頭等，分支、主扇曲線條數(shù)和曲線特征點(diǎn)的風(fēng)量、風(fēng)壓，以及迭代限與迭代精度[9].

5.1 風(fēng)網(wǎng)分析方法及解算軟件

常用的風(fēng)網(wǎng)解算方法有斯科特·辛斯利Scott-Hinsley)法和牛頓·拉夫遜(Newton-Raphson)法.其中Newton-Raphson法是一種斜量法，其收斂速度快，但對(duì)內(nèi)存要求量大而每次計(jì)算占機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)；Scott-Hinsley法是一種迭代法，雖然其收斂速度受所圈劃回路的影響，但其算法簡(jiǎn)單，內(nèi)存要求不大，每次迭代運(yùn)算速度較快，收斂性較好，故本文采用Scott-Hinsley法進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)分析.

在上述方法的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出新的風(fēng)網(wǎng)分析軟件Mvnet Version1.4對(duì)大冶尖林山鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算，該軟件的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示.

5.2 風(fēng)網(wǎng)解算步驟

由主程序輸入原始數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)阻計(jì)算，通風(fēng)阻力R=aPL/S3，a為摩阻系數(shù)，P為巷道周長(zhǎng)，L為長(zhǎng)度，S為面積.再通過(guò)最小二乘法進(jìn)行風(fēng)機(jī)特性曲線擬合.風(fēng)網(wǎng)解算程序框圖如圖2所示.

5.3 主扇性能曲線擬合

風(fēng)網(wǎng)主扇K40-6-№16、K40-4-№11的性能曲線分別如圖3、圖4所示.注意并聯(lián)主扇特性曲線按照“風(fēng)壓相等，風(fēng)量相加”的原則合成.

圖3 K40-4-№11等風(fēng)機(jī)特性曲線圖Fig.3 Characteristic curve of K40-4-№11

5.4 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

根據(jù)通風(fēng)方案和通風(fēng)解算網(wǎng)絡(luò)圖以及相關(guān)基礎(chǔ)資料，編制巷道風(fēng)阻、網(wǎng)孔、風(fēng)機(jī)及機(jī)站原始參數(shù)文件，然后利用礦井通風(fēng)系統(tǒng)解算軟件Mvnet version1.4進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算.

圖4 K40-6-№16等風(fēng)機(jī)特性曲線圖Fig.4 Characteristic curve of K40-6-№16

風(fēng)網(wǎng)分支數(shù)NB=264，迭代最大次數(shù)MIT=500，迭代限E=0.001.風(fēng)網(wǎng)主扇數(shù)NFC=4，根據(jù)結(jié)算結(jié)果對(duì)各主扇性能曲線參數(shù)進(jìn)行擬合.

6 機(jī)站解算結(jié)果及鑒定指標(biāo)

通過(guò)計(jì)算工作面需風(fēng)量，巷道通風(fēng)阻力和風(fēng)機(jī)特性等參數(shù)，運(yùn)用風(fēng)網(wǎng)分析軟件Mvnet Version1.4進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算.風(fēng)機(jī)參數(shù)解算結(jié)果如表2所示.其中風(fēng)機(jī)實(shí)耗功率計(jì)算公式為

式中：N為風(fēng)機(jī)所需功率；P為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；K為電機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)；η1為風(fēng)機(jī)全壓效率；η2為機(jī)械效率.

同時(shí)，為檢驗(yàn)結(jié)算結(jié)果的正確性，還應(yīng)根據(jù)《冶金礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)鑒定指標(biāo)》相關(guān)規(guī)定，對(duì)改造后的尖林山礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢測(cè)，并按照基本指標(biāo)、綜合指標(biāo)和輔助指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]，評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示.

表2 機(jī)站參數(shù)解算結(jié)果Table 2 Calculating results of ventilation station parameters

表3 通風(fēng)系統(tǒng)鑒定指標(biāo)Table 3 Evaluation index of ventilation system

7 通風(fēng)系統(tǒng)改造工程

(1)輔扇.根據(jù)解算結(jié)果，需要在以下兩處安裝輔扇進(jìn)行增壓調(diào)節(jié)：

龍洞-122 m開(kāi)采水平安裝一臺(tái)型號(hào)為K40-6-NO13風(fēng)機(jī)，其功率為3.6 kW.

龍洞-134 m開(kāi)采水平安裝一臺(tái)型號(hào)為K40-6-NO13風(fēng)機(jī)，其功率為3.6 kW.

輔扇也可以使用原鐵門(mén)坎北回風(fēng)斜井和南回風(fēng)斜井拆下來(lái)的風(fēng)機(jī).

(2)通風(fēng)構(gòu)筑物.為保證風(fēng)流按生產(chǎn)需要和已設(shè)計(jì)的通風(fēng)路線流動(dòng)，需建立和設(shè)置必要的通風(fēng)構(gòu)筑物以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的有效調(diào)節(jié)和合理分配[10-12].

在鐵門(mén)坎東區(qū)-170 m至-110 m北端回風(fēng)井聯(lián)巷設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗進(jìn)行風(fēng)量增阻調(diào)節(jié).

在龍洞采區(qū)-170 m至-110 m中部進(jìn)風(fēng)井聯(lián)巷設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗，進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié).

(3)通風(fēng)井巷工程.拆除-50 m水平北回風(fēng)斜井風(fēng)機(jī)，將鐵門(mén)坎北區(qū)北回風(fēng)斜井改為進(jìn)風(fēng)井，-50 m至-110 m原北進(jìn)風(fēng)井、北提升井、北回風(fēng)井均改為進(jìn)風(fēng)井；拆除南區(qū)-50 m電梯井風(fēng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備，將鐵門(mén)坎南區(qū)南回風(fēng)井、南措井均作為回風(fēng)井用[13].

8 結(jié) 語(yǔ)

a.針對(duì)大冶鐵礦尖林山車(chē)間通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上提出了通風(fēng)系統(tǒng)改造方案.

b.采用Scott-Hinsley風(fēng)網(wǎng)解算方法，參與開(kāi)發(fā)了Mvnet Version1.4 風(fēng)網(wǎng)分析軟件，并用該軟件進(jìn)行了風(fēng)網(wǎng)解算，獲得了使風(fēng)機(jī)效率較高的解算結(jié)果，同時(shí)提出了采用增阻和輔扇調(diào)節(jié)方案進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié).

c.通過(guò)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，解決了以往通風(fēng)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，提高了礦井安全性，并且節(jié)約了通風(fēng)費(fèi)用，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.

致謝

感謝環(huán)城學(xué)院張電吉院長(zhǎng)的支持和幫助，以及武鋼大冶鐵礦領(lǐng)導(dǎo)和工程師們的指導(dǎo)，他們?yōu)轫?xiàng)目順利進(jìn)行提供了必要的數(shù)據(jù)和資料.

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